薄膜太阳能电池及制造工艺

薄膜太阳能电池及制造工艺 地球天然资源有限 物以稀为贵 原油价格将持续飚涨 世界和中国主要常规能源储量预测 I 太阳能电池技术及光伏产业背景知识 全球能源短缺 而且分布不均匀 尤其是发展中国家能源匮乏 NASA拍摄的地球夜晚卫星图片 1928年与2004年阿根廷的冰川消退对照 温室效应使地球平均气温持续升高 京都议定书的实施 世界各国降低温室气体排放 实行减碳措施 重视地球环保 开发洁净新能源刻不容缓 2006年中国一次能源消费构成 能源消费结构不合理 煤炭比例过高 中国未来电力发展的预测 中国电力科学院 电力缺口逐年增加 人类未来50年面临的十大问题 以 能源 问题为首 我们可以怎样解決能源危机 1 增加及改善能源 煤 石油 天然气 的生产 2 节约及保护能源 3 利用其它能源 可再生能源 缺点 有限资源 价格昂贵 环境破坏 非再生能源 Non renewableenergy A 煤 B 石油 C 天然气 节约及保护能源 把不需要的电器用品关掉 减少在夏季使用冷气的机会 尽量使用公共交通工具 使用节省能源的汽車或机器 寻找新型清洁能源是解决问题的唯一途径 可再生能源不断补充 Constantlyreplenishing 用之不竭 Inexhaustible 分类太阳能 风能 生物能 地热能 水利发电 氢能 海洋能 使用其它能源 再生动力资源 水力发电 H E P 风力发电 WindPower 地热能发电太阳能发电 潮汐发电 可再生能源的优点 环保 Environmentalbenefits 可持续 Sustainability 能源安全 Energysecurity 太阳给地球1 5天提供的能量相当于全球可供开采石油的总量 3万亿桶 太阳给地球1小时的能量可供全球人类使用一年 太阳提供给地球1秒钟的能量 相当于2008年汶川8 0级地震所释放的能量 1 数量巨大 太阳能够给地球提供惊人的能量 太阳能的优点 太阳能 唯一的兆兆瓦量级再生能源 地球上几乎所有地方都能使用太阳能 世界能源发展趋势 2 时间长久 太阳能发电在全球未来能源结构中扮演着重要的地位 太阳能 取之不尽 用之不竭 3 普照大地 太阳辐射能 送货上门 既不需要开采和挖掘 也不需要运输 普天之下 无论大陆或海洋 无论高山或岛屿 都一视同仁 既无 专利 可言 也不可能进行垄断 开发和利用都极为方便 世界太阳能资源地图 阳光对地球各个地区的供应比其他资源的供应公平得多 4 清洁安全 对防止地球温暖化 减轻对地球环境的贡献从太阳能发电系统排放的二氧化碳 即使是考虑其生产过程的排放量 也绝对少于传统的燃料发电设备 是防止地球温暖化的环保设备 同时在发电时 不排放氧化硫 氧化氮等污染物 减轻了对环境的压力 太阳能素有 干净能源 和 安全能源 之称 它不仅毫无污染 远比常规能源清洁 也毫无危险 远比原子核能安全 例 3 W太阳能发电系统对环境污染物的削减量 石油替代量 729L 年 减排放CO2能力 540kg C 年 森林面积换算 5544m2 对能源和节能的贡献 太阳能电池2 2年的发电量即可收回制造太阳能电池时使用的电力 三分之二的国土面积年日照小时数在2200小时以上年太阳辐射总量大于每平方米5000兆焦 中国太阳能资源分布情况 中国有12 国土面积为沙漠或戈壁滩 这些地区年日照小时数在3200小时以上 如果在这些地区全部安装太阳能电池发电 其电力足于供给全球使用 其发展潜力远远没有挖掘出来 中国沙漠戈壁分布情况 太阳能的利用 太阳能的利用可以分为两种 即光 热转化利用和光 电转化利用 太阳能集热器太阳能热水系统暖房 太阳能热水器 太阳能灶 太阳能电池原理太阳能电池 英文为SolarCell 是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片 它只要被光照射 瞬间就可输出电流 在物理学上称为光伏 Photovoltaic 简单的说 太阳光电的发电原理 是利用太阳电池吸收一定波长的太阳光 将光能直接转变成电能输出的一种发电方式 太阳能电池技术发展 第一代太阳能电池 结晶硅类 单晶硅 多晶硅太阳能电池 第二代太阳能电池 薄膜太阳能电池 如硅基薄膜电池 CIGS薄膜等 第三代太阳能电池 量子点型新概念 新结构的电池 如染料敏化电池 有机薄膜电池 纳米结构电池等 第四代太阳能电池 热电子型 太阳能电池转换效率世界记录 高效太阳电池榜 三种主要光伏发电技术比较 太阳能光伏术语 光伏 Photovoltaic PV 光能到电能的直接转换太阳能电池 Solarcells 太阳能电池模组 Solarmodules 太阳能电池板 Solarpanels 建筑光伏一体化 BuildingIntegratedPhotovoltaics BIPV 非晶硅 amorphousSilicon a Si 多晶硅 polycrystallinesilicon p Si 单晶硅 crystallinesilicon c Si 铜铟镓硒 CopperIndiumGalliumDiselenide CIGS 电池 模组 阵列 TUV 德国莱茵技术监护顾问公司的简称 它的总部位于德国 是专门测试电子产品安全的研究机构 TUV的测试依据是按照IEC与VDE所订的安规测试规范条例测试 因其产品必须先取得TUV的安全认证后 才能在欧洲市场上销售 UL是英文保险商试验所 UnderwriterLaboratoriesInc 的简写 UL安全试验所是美国最有权威的 也是界上从事安全试验和鉴定的较大的民间机构 它是一个独立的 非营利的 为公共安全做试验的专业机构 在美国 对消费者来说UL就是安全标志的象征 全球 UL是制造厂商最值得信赖的合格评估提供者之一 CE 标志是一种安全认证标志 被视为制造商打开并进入欧洲市场的护照 CE代表欧洲统一 CONFORMITEEUROPEENNE 凡是贴有 CE 标志的产品就可在欧盟各成员国内销售 无须符合每个成员国的要求 从而实现了商品在欧盟成员国范围内的自由流通 在欧盟市场 CE 标志属强制性认证标志 不论是欧盟内部企业生产的产品 还是其他国家生产的产品 要想在欧盟市场上自由流通 就必须加贴 CE 标志 以表明产品符合欧盟 技术协调与标准化新方法 指令的基本要求 这是欧盟法律对产品提出的一种强制性要求 必须由总部位于欧盟成员国的认证机构才可以签发证书 自80年代末以来 已有一批外资认证机构进驻中国 部件名称 太阳能电池 吸收太阳能 将太阳能转换成直流电能 控制器 控制蓄电池的充放电深度 延长蓄电池使用寿命 蓄电池 储存太阳能电池板产生的电能 必要时 向负荷提供直流电力 逆变器 将直流输入电力转换成交流电力输出 系统简介 History 1975 Waferedsilicontooexpensive History 1975 Waferedsilicontooexpensive Whatactuallyhappened Issuestoday SiliconpanelsPast accidental technologyPresent cleartechnologyofchoice continuedcostreductionFuture crossroads butnotgoingawayThinfilmEfficienciesfinallybecomingcompetitiveButthere smoretothestorythanjustefficienciesBestonbig commercialroofswithlotsofspace ConcentrationNolongerjustthermal onlyButinstallersdon twantmovingpartsPredicatedonsiliconbeingexpensive Benefitsanddrawbacks CostDevelopment2002 2010 Silicon Wafer Cell Module Reducedwaferthicknessover10years 20002004200520062007100125156156156156 210mmlengthofwaferedge Waferthickness producedindustrially m mainthickness400340330330300300270270270270270240240240210210210210210210180180 100200300400Waferthickness m Siliconfoiltechnologydevelopment EdgedefinedFilm fedGrowth StringRibbon SiliconSheetfromPowder RibbonGrowthonSubstrate Thin Filmdepositionof100meterplusrollsCell SubmoduleManufacturingModuleFinishingDeployment ProcesstoProduct ProductstoMarket RuggedEnvironment CommercialProducts StandardSolarModules SiliconCellReplacement 三 薄膜电池制造产业链分析 在金融危机之前 高昂的多晶硅价格制约了光伏产品的应用发展 在这种情况下 不少人对低价的薄膜太阳能电池寄予厚望 认为它将是晶体硅电池最大的竞争对手 但是这场危机冲击得海外市场严重萎缩 导致多晶硅价格暴跌 因此业内又有了 薄膜电池优势不在 的论断 这些年薄膜电池在太阳能电池领域中一直处于一种非主流位置 主要原因就是效率不高 在发现衰减效应后 当时的非晶硅太阳能薄膜电池变成了一种弱光电池 用于手机 表 计算器等小物品上 我国引进了该技术后发展迅速 挤垮了很多国外企业 现在世界绝大多数的太阳能薄膜弱光电池都在中国生产 薄膜和晶体硅的应用领域有差异 晶体硅的转换效率高 使用面积小 用在屋顶非常有优势 但从客户角度看 他们最关心的还是系统电价 例如建大规模电站的话 薄膜电池就更有优势 因为面积大 系统电价就低 此外 做光电建筑一体化的话 薄膜电池也更有优势 不能以转换率论英雄 价格才是核心 在光伏业内 关于硅基太阳电池与薄膜电池的博弈一直没有停止过 但是我们看到的事实却是 在技术创新意识和能力突飞猛进的21世纪 低价且有极大工艺改良性的产品永远能吸引投资者的目光 所以 在光伏建筑一体化愈演愈烈的今天 在 中国百万屋顶 金太阳工程 政策指引下 薄膜电池将在这一领域拥有绝对的优势 薄膜电池大规模商用的前提是提高光电转换效率 虽然薄膜电池的技术在几十年间有了突飞猛进的发展 但截至目前 没有一家薄膜太阳能电池公司宣布 转换效率超过10 一般在6 左右 浙江正泰号称其光电转换效率达到9 这在行业内已经属于最高 即便如此也只是硅基电池的一半 不过 由于耗电省 造价低 成本优势显现 薄膜电池开始受到青睐 一些多晶硅电池企业 也开始大手笔地引进薄膜电池生产线 更多的企业 直接开始制造薄膜电池 如河北保定的天威英利投资12亿元 从国外引进了46 5兆瓦的薄膜电池生产线 在今年8月28日已经开始量产 总部位于上海的强生光电 也在江苏南通 苏州等地开建薄膜电池示范区 但是 同国际领先水平相比 我国薄膜电池的研究存在一定的差距 现在国际上发展比较成熟的太阳能薄膜电池包括三种 非晶硅太阳能薄膜电池 碲化镉太阳能电池和铜铟镓硒 CIGS 太阳能电池 其中应用最普遍的是非晶硅太阳能薄膜电池 我国的很多企业和国外的EPVSOLAR 日本的Kenaka 夏普等都生产此种电池 碲化镉 CdTe 电池的主要生产企业是美国的Fisrtsolar 由于其中的镉元素有毒 该企业承诺回收所有废弃电池 CIGS电池由于所含元素多使其生产稳定性难以把握 重复性较差使其进行大规模产业化生产比较困难 所以尽管BP 壳牌公司等已将其光电转换率大幅提高 但产能扩展有限 现在只有少量企业在进行大规模量产 与晶体硅相比 硅基薄膜电池制造产业链短得多 整个工序在一家公司即可完成 硅基薄膜电池的生产流程图 硅基薄膜太阳电池生产线 SolarCellRoll to RollProcessFlow w 30MWProductionToolCosts CleanSubstrate Futureprocessstep SputterBackElectrode SputterPrecursor SelenidePrecursor 13 inchtoolunderconstruction CdSPlatedJunction 13 inchtoolunderconstruction SputterTopElectrode PassivateDefects Futureprocessstep SlitintoReelsEdge Test SendReelstoInterconnectandmoduleassemblyprocess 800K 1 200K 1 300K 700K 800K 700K 1 200K 800K 2 500K Post depositionprocessisunderdevelopment CIGS简介 銅銦鎵硒CIGS CopperIndiumGalliumSelenium 属于化合物半导体 CIGS随着銦鎵含量的不同 其光吸收范围可从1 02ev至1 68ev 若是利用聚光裝置的輔助 目前轉換效率已經可達30 標準環境測試下元件轉換效 19 5 采用柔性塑料基板的最佳轉換效率也已經達到14 1 美國 Nanosolar 公司获得重大突破 研發出rolltoroll的方式 CIGS薄膜太陽能電池 不仅輕巧 可塑性高 更適合大量生產 能大幅降低成本 WhatisCIGS PolycrystallineThinFilmPhotovoltaicSolarCellBasedontheCopperIndiumGalliumDiselenide CIGS MaterialSystemTypicalStructureMolybdenum CIGS CadmiumSulfide IndiumTinOxideFormedonSubstratesGlassStainlessSteelPolymer CIGS优势条件 优於單晶光伏元件的要素 1 成本低 2 製程能源需求低 3 大面積元件高效 4 產成品高 5 應用範圍廣泛 玻璃基板 銹鋼 塑膠聚合物 錫箔等可撓式基板 优於其他薄膜光伏元件的要素 1 元件轉換效 最高 2 穩定 與抗 射特性良好 3 無環境污染以及 產阻碍問題 4 無法克服 質p型吸收層歐姆接點 OpticalBand Gap Composition Efficiency CIGS太陽能電池元件結構 Glass StainlessSteel Polymer 基板 CIGS 1 5 2 m Mo 0 5 1 5 m 背電極 吸收層 CdS 0 05 m 緩衝層 i ZnO 0 05 m 純質氧化鋅 TCO ZnO Al 0 5 1 5 m 透明導電層 頂端電極Ni Al Sputter VacuummethodNon Vacuummethod ChemicalBathdeposition Sputter ZnO ITO2500 CdS700 Mo0 5 1 m Glass MetalFoil Plastics CIGS1 2 5 m CIGSDeviceStructure CIGS太陽能電池元件結構 通常使用鈉玻璃 Soda lime 基板 鈉玻璃除了價格便宜外 熱膨脹係數與CIGS吸收層薄膜相當接近 在成長薄膜時 因基板溫度接近鈉玻璃的玻璃軟化溫度 所以鈉離子將會經過鉬金屬薄膜層擴散至吸收層 當鈉離子跑至CIGS薄膜時 會使薄膜的晶粒變大 且增加導電性 降低串聯電阻 Glass StainlessSteel Polymer CIGS太陽能電池元件結構 用直 濺鍍或者電子束蒸鍍的方式 積一層鉬 Mo 當作背電極 接正極 鉬金屬與CIGS薄膜具有良好之歐姆接觸特性 此外鉬金屬薄膜具有高度的光反射性 低電阻 Glass StainlessSteel Polymer Mo 0 5 1 5 m CIGS太陽能電池元件結構 吸收層CIGS本身具黃銅礦结构 Chalaopyrite 可以由化學組成的調變直接得到P type或者是N type Vacuummethod 1 共蒸鍍 Co evaporation 2 濺鍍 Sputtering Non Vacuummethod 1 電鍍 Electrodeposition 2 涂布制程 CoatingProcess Glass StainlessSteel Polymer CIGS 1 5 2 m Mo 0 5 1 5 m CIGSModulesareFabricatedOn I Sodalimeglassasthesubstrate cellsaremonolithicallyintegratedusinglaser mechanicalscribing MonolithicintegrationofTFsolarcellscanleadtosignificantmanufacturingcostreduction e g fewerprocessingsteps easierautomation lowerconsumptionofmaterials CIGSModulesareFabricatedOn cont ThenumberofstepsneededtomakethinfilmmodulesareroughlyhalfofthatneededforSimodules Thisisasignificantadvantage CIGSModulesProcessSequence CIGSModulesareFabricatedOn cont II Metallicwebusingroll to rolldeposition individualcellsarecutfromtheweb assembledintomodules III Plasticwebusingroll to rolldeposition monolithicintegrationofcells Vacuummethod Co evaporation 1 In GaandSewereCoevaporatedat400 2 CuandSewerecodepositedwhilethesubstratetemperaturewasrampedupto580 3 In GaandSewerecoevaporatedstillat580 ThesampleswerethencooledinSeatmospheredownto250 3 stageprocess CIGS太陽能電池元件結構 緩衝層硫化鎘可用來降低ZnO與CIGS間之能帶上的連續 banddiscontinuity 使用化學水浴沉積法 chemicalbathdeposition 簡稱CBD 成長可提供CIGS上表面平整的均勻覆蓋 緩衝層要求高透光率 以便能使入射光順利進入主吸收層材料被有效的吸收 Glass StainlessSteel Polymer CIGS 1 5 2 m Mo 0 5 1 5 m CdS 0 05 m 化学浴沉积法 化學浴沉积法 Chemicalbathdeposition 是一種製備半導體薄膜的技術 方法是將基板浸入含有金屬離子及OH S2 或Se2 離子的水溶液中 藉由控制水溶液的溫度及pH值 使金屬離子與OH S2 或Se2 離子產生化學反應 形成化合物半導體沉积在基板上 CIGS太陽能電池元件結構 透明導電膜 TCO 要低電阻 高透光率 但ZnO本身是高電阻材料 因此外加鋁重摻雜氧化鋅 ZnO Al 改善其電性 但是會降低透光率 因此須在此找到最適合的摻雜濃度 多半 用RF濺鍍法 RFsputter 達成鍍膜 Glass StainlessSteel Polymer CIGS 1 5 2 m Mo 0 5 1 5 m CdS 0 05 m i ZnO 0 05 m TCO ZnO Al 0 5 1 5 m CIGS太陽能電池元件結構 蒸鍍上鎳 鋁 Ni Al 層當作頂層電極 接負極 Glass StainlessSteel Polymer CIGS 1 5 2 m Mo 0 5 1 5 m CdS 0 05 m i ZnO 0 05 m TCO ZnO Al 0 5 1 5 m LaboratoryCIGSCoatingSystem PayoutandTakeupRollers CoatingDrum CuGaMagnetronSourceIndiumMagnetronSourceSeleniumEvaporationSource FutureSelenizationDrum LaboratoryMetal OxideCoatingSystem Chrome MolybdenumDeposition TransparentConductiveOxideDeposition ScalableDepositionTechnology 13 Web 1 meterWeb Pilot16 diameterdrumto54 3depositionsourcesto1213 widewebto39 wideMinimalprocesschanges PilotLine VolumeProductionLine Production InternallyDesignedEquipment 13 inchCad SulfideandSelenizationSystems MuchlowermanufacturingcostsFasterturnaroundRapidcapacityexpansion Challenges Long TermStability Durability ImprovedmodulepackageallowedCIGStopassdampheattest measuredat85 C 85 relativehumidity CIGSmoduleshaveshownlong termstability However performancedegradationhasalsobeenobserved CIGSdevicesaresensitivetowatervapor e g changeinpropertiesofZnO ThinFilmBarriertoWaterVapor Newencapsulantsandlessaggressiveapplicationprocess Stabilityofthinfilmmodulesareacceptableiftherightencapsulationprocessisused Needforbetterunderstandingdegradationmechanismsattheprototypemodulelevel ProcessingImprovements I UniformDepositionoverlargearea a significantformonolithicintegration b somewhatrelaxedformodulesmadefromindividualcellsII Processspeedandyield somefabricationapproacheshaveadvantageoverothersIII Controlsanddiagnosticsbasedonmaterialpropertiesandfilmgrowth benefitsthroughputandyield reliabilityandreproducibilityoftheprocess andhigherperformance ProcessingImprovements cont IV ApproachestothethinfilmCIGSDeposition cont 2 ReactionofprecursorsinSeand orS Selenization toformthinfilmCIGS twostageprocess Varietyofmaterialsdelivery